علم خواص برق متحرک (Electrokinetics) در نانوکانال ها، بخش 1. همپوشانی لایه های دوگانه الکتریکی و تعادل کانال به چاه

قیمت: 40,000 تومان

دانلود رایگان مقاله

خرید ترجمه مقاله

عنوان فارسی

علم خواص برق متحرک (Electrokinetics) در نانوکانال ها، بخش 1. همپوشانی لایه های دوگانه الکتریکی و تعادل کانال به چاه

عنوان لاتین

Electrokinetics in nanochannels Part I. Electric double layer overlap and channel-to-well equilibrium

در این مقاله مدلی جدید برای محاسبه میدان پتانسیل الکتریکی در یک نانو کانال نازک و طولانی با لایه های دوگانه الکتریکی همپوشانی شده، توصیف می شود. غلظت الکترولیت در نانوکانال، از طریق تعادل بین محلول یونی در چاهها و در داخل نانوکانال ها، بدون تناقض، پیشگویی می شود. متفاوت با مدل های منتشر شده که نیاز به راه حل های عددی بازگشتی دقیقی از معادلات دیفرانسیل دارند، چارچوب ارائه شده در اینجا، خود-سازگار بوده و پیش بینی ها، با حل یک انتگرال یک بعدی ساده بدست می آیند. مشتق گیری به وضوح نشان می دهد که میدان پتانسیل الکتریکی، وابسته به سه پارامتر جدید است: نسبت چگالی یون در کانال به چگالی یون در چاهها؛ نسبت چگالی بار آزاد به چگالی حجمی یون در درون کانال؛ و ضخامت یک Debye–Huckel اصلاح شده که در مقیاس مربوط به محافظت از سطح بار خالص است. به طور کامل سه شرایط مرزی دیواره- سطح تحلیل می شود: پتانسیل معین زتا؛ چگالی بار خالص سطح معین؛ و تنظیم بار. پیش بینی های مقادیر تجربی قابل مشاهده بر اساس مدل ارائه شده در اینجا، مانند جریان الکترون اسمزی متوسط و جریان یونی خالص، به میزان قابل توجهی با نتایج حاصل از مدل های دو لایه الکتریکی همپوشانی شده در گذشته، متفاوت است. در مقاله نخست پیش بینی هایی ارائه می شود که در آن، عمق کانال در غلظت ثابت چاه متفاوت است. نتایج نشان می دهند که تحت شرایط همپوشانی دو لایه الکتریکی، جریان الکترون اسمزی، تنها شامل بخش کوچکی از جریان یونی خالص است و عمده جریان قابل اندازه گیری، بدلیل هدایت یونی در نانوکانال است. در مقاله دوم این سری، پیش بینی هایی ارائه می شود که در آن، غلظت چاه تغییر داده شده و عمق کانال ثابت نگه داشته می شود، و مدل توصیف شده در اینجا، برای مطالعه وابستگی تحرک یونی روی قدرت یونی، و مقایسه پیش بینی ها، برای اندازه گیری های جریان یونی بصورت تابعی از عمق کانال و چگالی یونی بکار برده می شود.

In this paper a new model is described for calculating the electric potential field in a long, thin nanochannel with overlapped electric double layers. Electrolyte concentration in the nanochannel is predicted self-consistently via equilibrium between ionic solution in the wells and within the nanochannel. Differently than published models that require detailed iterative numerical solutions of coupled differential equations, the framework presented here is self-consistent and predictions are obtained solving a simple one-dimensional integral. The derivation clearly shows that the electric potential field depends on three new parameters: the ratio of ion density in the channel to ion density in the wells; the ratio of free-charge density to bulk ion density within the channel; and a modified Debye–Hückel thickness, which is the relevant scale for shielding of surface net charge. For completeness, three wall–surface boundary conditions are analyzed: specified zeta-potential; specified surface net charge density; and charge regulation. Predictions of experimentally observable quantities based on the model proposed here, such as depth-averaged electroosmotic flow and net ionic current, are significantly different than results from previous overlapped electric double layer models. In this first paper of a series of two, predictions are presented where channel depth is varied at constant well concentration. Results show that under conditions of electric double layer overlap, electroosmosis contributes only a small fraction of the net ionic current, and that most of the measurable current is due to ionic conduction in conditions of increased counterion density in the nanochannel. In the second of this two-paper series, predictions are presented where well-concentration is varied and the channel depth is held constant, and the model described here is employed to study the dependence of ion mobility on ionic strength, and compare predictions to measurements of ionic current as a function of channel depth and ion density